JP5702227B2 - 選択トランジスタ、選択トランジスタの作成方法、メモリ装置及びメモリ装置の製造方法 - Google Patents

選択トランジスタ、選択トランジスタの作成方法、メモリ装置及びメモリ装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、選択トランジスタ、選択トランジスタの作成方法、メモリ装置及びメモリ装置の製造方法に関する。
従来のメモリ装置、例えば、NANDフラッシュメモリ(NAND flash memory)は、集積化のために、複数個のメモリセルトランジスタ(memory cell transistor)(以下、メモリトランジスタと称する)を直列接続し、この直列接続した複数のメモリトランジスタの両端にセレクトトランジスタ(select transistor)(以下、選択トランジスタと称する)を設けた構成となっている。メモリトランジスタは、電荷の蓄積の有無により情報を記憶するため、トンネル絶縁層、電荷蓄積層、ブロッキング絶縁層及びゲート電極が同順に積層された構造を有する。一方、選択トランジスタは、電荷を蓄積する必要がないため、トンネル絶縁層及び電荷蓄積層を必要としない。このため、選択トランジスタは、ゲート絶縁層及びゲート電極を同順に積層した構造を有する。
このようにメモリトランジスタと選択トランジスタでは、それぞれ構造が異なる。このため、従来の製造プロセスでは、メモリトランジスタを形成する工程と、選択トランジスタを形成する工程とをそれぞれ分けてメモリトランジスタ及び選択トランジスタを形成している。しかしながら、メモリトランジスタを形成する工程と選択トランジスタを形成する工程とを分けると、メモリ装置の製造工程が増えるため、製造コストやTAT(turn around time)が増加する。
そこで、選択トランジスタをトンネル絶縁層、ブロッキング絶縁層及びゲート電極が同順に積層された構造とし、メモリトランジスタと選択トランジスタの構造をできるだけ共通化してメモリ装置の製造に必要な工程数を削減した製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この提案方法では、選択トランジスタのトンネル絶縁層及びブロッキング絶縁層との界面における電荷トラップに起因するVfb(フラットバンド電圧)の変動を抑制するために、ブロッキング絶縁層としての酸化アルミニウム(Al)層中にシリコン(Si)を含有させている。Al層中にシリコンを含有することで、トンネル絶縁層及びブロッキング絶縁層との界面にトラップされる電荷量(電荷密度)が減少し、Vfbのシフト(変動)が抑制される。
特開2009−245958号公報
しかしながら、上記提案方法では、Vfbのシフトは小さくできるものの、電荷トラップによるVfbの変動自体を防止することはできない。また、メモリトランジスタと選択トランジスタの構造は、全く同じではなく、半導体基板上にトンネル絶縁層及び電荷蓄積層を形成した後、選択トランジスタが形成される領域から電荷蓄積層を除去する工程が必要となる。
本発明は、上記の事情に対処してなされたもので、少ない工程数で製造でき、フラットバンド電圧のシフトを抑制できる選択トランジスタ、選択トランジスタの作成方法、メモリ装置及びメモリ装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明のメモリ装置の製造方法の一態様は、直列接続された複数のメモリトランジスタ及び直列接続された複数のメモリトランジスタの両端に設けられた選択トランジスタを備えたメモリ装置の製造方法であって、半導体基板上にトンネル絶縁層を形成する工程と、トンネル絶縁層上に電荷蓄積層を形成する工程と、電荷蓄積層上にブロッキング絶縁層を形成する工程と、選択トランジスタが形成される領域のブロッキング絶縁層へアルゴンをソースガスとするガスクラスタイオンビームを選択的に照射する工程と、ブロッキング絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、積層されたトンネル絶縁層からゲート電極をパターニングする工程と、パターニングされたゲート電極の両側の半導体基板中にソース/ドレイン領域を形成する工程と、を具備することを特徴とする。
本発明によれば、少ない工程数で製造でき、フラットバンド電圧のシフトを抑制できる選択トランジスタ、選択トランジスタの作成方法、メモリ装置及びメモリ装置の製造方法を提供できる。
本発明のメモリ装置の回路図。 図1のメモリ装置の断面図。 図1のメモリ装置の製造方法の工程を示すフローチャート。 図1のメモリ装置の製造方法の工程を示すフローチャート。 図1のメモリ装置の製造方法の工程を示すフローチャート。 フラットバンド電圧の変化特性を示す図。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るメモリ装置1の概略構成及び等価回路を示した図である。図2は、図1の線分A−Aでの断面図である。以下、図1,図2を参照して、本実施形態に係るメモリ装置1の構成について説明する。なお、本実施形態では、メモリ装置1として、MONOS型のNANDフラッシュメモリについて説明する。
メモリ装置1は、半導体基板100上に形成されたメモリトランジスタMT〜MT及び選択トランジスタST,STを備える。メモリトランジスタMT〜MTは、直列に接続されている。選択トランジスタST,STは、直列接続されたメモリトランジスタMT〜MTの両端に各々形成されている。なお、mは、2を満たす数字である(n:通常は4〜5の値をとる)。
メモリトランジスタMT〜MTは、トンネル絶縁層101、電荷蓄積層102、ブロッキング絶縁層103A及びゲート電極104が同順に積層された構造を有する。また、選択トランジスタST,STは、トンネル絶縁層101、電荷蓄積層102、ブロッキング絶縁層103B及びゲート電極104が同順に積層された構造を有する。
このように、メモリトランジスタMT〜MT及び選択トランジスタST,STは、略同一の構造を有するが、選択トランジスタST,STのブロッキング絶縁層103Bは、アルゴン(Ar)をソースガスとするGCIB(gas cluster ion beam)が照射されて改質されている点が、メモリトランジスタMT〜MTのブロッキング絶縁層103Aと異なる。
本実施形態では、トンネル絶縁層101、電荷蓄積層102及びブロッキング絶縁層103A,103Bは、それぞれ酸化シリコン層(以下、SiO層と称する)、窒化シリコン層(以下、Si層と称する)及び酸化アルミニウム層(以下、Al層と称する)から形成されている。また、ゲート電極104は、窒化チタン層(以下、TiN層と称する)/タングステン層(以下、W層と称する)/窒化チタン層(以下、TiN層と称する)を同順に積層した構造を有する。
図3A〜図3Cは、図1のメモリ装置1の製造方法の工程を示すフローチャートである。以下、図3A〜図3Cを参照してメモリ装置1の製造方法を説明する。
(工程a)
初めに、半導体基板100上に、SiO層からなる素子分離領域を形成する(図3A(a)参照)。この素子分離領域の形成は、公知の方法、例えば、Si層をマスクとして選択的に半導体基板を酸化し、素子間にSiO層を形成するLOCOS法(local oxidation of silicon)や、半導体基板の分離領域にドライエッチングにより浅い溝を形成し、CVD(chemical vapor deposition)によりSiO層を堆積した後、溝以外の部分に堆積したSiO層をCMP(chemical mechanical polishing)により除去するSTI法(shallow trench isolation)などを用いることができる。なお、図3A(a)では、素子分離領域の図示を省略している。
(工程b)
素子分離領域を形成した半導体基板100上にトンネル絶縁層101としてSiO層を形成する(図3A(b)参照)。SiO層は、半導体基板100を熱酸化させて形成してもよいし、CVDでSiOを堆積させて形成してもよい。
(工程c)
工程bで形成したSiO層上に電荷蓄積層102としてのSi層を形成する(図3A(c)参照)。Si層は、CVDでSiを堆積させて形成する。
(工程d)
工程cで形成したSi層上にブロッキング絶縁層103AとしてのAl層を形成する(図3B(d)参照)。Al層は、PVD(physical vapor deposition)、CVDの他、ALD(atomic layer deposition)やMBE(molecular beam epitaxy)等によりAlを堆積させて形成する。
(工程e)
選択トランジスタST,STを形成する領域Bに形成されたAl層に選択的にアルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBを照射する(図3B(e)参照)。具体的には、工程dで形成したAl層上にフォトレジスト202を塗布した後、プリベイクを行い、露光する。ポジ型のフォトレジストを使用する場合、感光した部分が溶解するため、選択トランジスタST,STを形成する領域Bのみを露光する。また、ネガ型のフォトレジストを使用する場合、感光した部分が残るため、メモリトランジスタMT〜MTを形成する領域Aを露光する。露光後、フォトレジスト202を現像して選択トランジスタST,STを形成する領域Bのフォトレジストを剥離する。なお、フォトレジスト202は、スピンコーター又は吹き付けで塗布し、露光は、ステッパー又はスキャナーで行う。
次に、アルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBを照射する。フォトレジスト202により、選択トランジスタST,STを形成する領域Bに形成されたAl層に選択的にアルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBが照射される。なお、GCIBを用いると、数個から数千個のAr原子が結合したクラスタとして照射されるため、深さ方向への侵入距離は短い。フォトレジスト202は、通常、数百nmの厚みがあるので、フォトレジスト202が存在する領域(メモリトランジスタMT〜MTを形成する領域B)のAl層へのアルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBの照射は問題とはならない。この工程eで、選択トランジスタST,STを形成する領域BのAl層が改質されてブロッキング絶縁層103Bとなる。
(工程f)
フォトレジスト202を剥離する(図3B(f)参照)。フォトレジスト202は、通常アッシャーを用いたドライプロセスで剥離するが、ウェットプロセスにより剥離してもよい。
(工程g)
Al層上に、ゲート電極104としてのTiN層/W層/TiN層を同順に積層する(図3C(g)参照)。TiN層及びW層は、PVD、CVDの他、ALDやMBE等により形成する。
(工程h)
ゲート電極104となるTiN層/W層/TiN層を積層後、公知のリソグラフィー技術及びエッチング技術により、工程a〜工程gで積層された層を所望の構造にパターニングする(図3C(h)参照)。
(工程i)
パターニング後、半導体基板100がp型であればヒ素(As)等のn型ドーパントを、半導体基板100がn型であればホウ素(B)等のn型ドーパントをそれぞれイオン注入した後、熱処理を施し、メモリトランジスタMT〜MT及び選択トランジスタST,STの両側に各々ソース/ドレイン領域を形成する(図3C(i)参照)。その後、周知の方法で配線等を形成して本実施形態のメモリ装置1が形成される。
トンネル絶縁層101として、SiO以外にもSiON(酸化窒化シリコン)、Al、HfO(酸化ハフニウム)、ZrO(酸化ジルコニウム)、Ta(酸化タンタル)、Y(酸化イットリウム)等の高誘電率膜を使用できる。電荷蓄積層102として、Si以外にもAl、HfO、ZrO、Ta、Y等の高誘電率膜を使用できる。ゲート電極104として、TiN/W/TiNの積層構造以外にもPoly−Si(ポリシリコン)膜、TaN(窒化タンタル)膜、金属膜(W,Pt等)等の単一層または積層構造としてもよい。
次に、実施例1、比較例1〜3の作成手順及びその評価結果について記載する。
(実施例1)
実施形態の工程a〜工程cと同様にして、P型半導体基板上にSiO層、Si層及びAl層をそれぞれ4nm、7nm及び15nm形成した。
次に、実施形態の工程d〜工程fと同様にして、選択トランジスタST,STを形成する領域のAl層へアルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBを照射した。GCIBは、実質的な加速電圧が3kV程度となるようにAl層へ照射した。また、Arのドーズ(dose)量は、1E14(atoms/cm)である。
次に、実施形態の工程g〜工程iと同様にして、Al層上に、ゲート電極となるTiN層/W層/TiN層を同順に積層して形成した後、パターニングを行い、ゲート電極の両側の半導体基板100中にヒ素(As)をイオン注入した後、熱処理を施し、メモリトランジスタMT〜MT及び選択トランジスタST,STの両側に各々ソース/ドレイン領域を形成した。最後に、ゲート電極及びソース/ドレイン領域への配線を形成して実施例1のメモリ装置を形成した。
(比較例1)
比較例1では、選択トランジスタST,STを形成する領域のAl層へ酸素(O)をソースガスとするGCIBを照射して、酸素(O)をドープした点が実施例1と異なる。その他の構成は、実施例1と同じである。
(比較例2)
比較例2では、選択トランジスタST,STを形成する領域のAl層へアルゴン(Ar)を、GCIBを使用せずにイオン注入した点が実施例1と異なる。その他の構成は、実施例1と同じである。
(比較例3)
比較例3では、選択トランジスタST,STを形成する領域のAl層へのドープを行わずに、ゲート電極を形成した点が実施例1と異なる。その他の構成は、実施例1と同じである。
図4は、上記のようにして形成したメモリ装置における選択トランジスタSTのフラットバンド電圧(Vfb)の変化を調べた結果である。図4の縦軸及び横軸は、それぞれフラットバンド電圧(Vfb)及び書込み電圧(Vprgm)である。図4から明らかなように、比較例1〜3に係る選択トランジスタは、書込み電圧(Vprgm)の上昇と共に、フラットバンド電圧(Vfb)が上昇しているのがわかる。一方、実施例1に係る選択トランジスタは、書込み電圧(Vprgm)が上昇してもVfbが略ゼロのまま一定であることがわかる。これは、アルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBを照射することにより、Al層が改質されるためと考えられる。
以上のように、実施例のメモリ装置によれば、アルゴン(Ar)をソースガスとするGCIBをブロッキング絶縁層に照射することで、選択トランジスタのフラットバンド電圧の変動を抑制できるので、メモリトランジスタと選択トランジスタの構造を略同じにすることができる。このため、メモリ装置の製造工程数及びTAT(turn around time)の増加を抑制できる。
以上、本発明を各実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定
されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、ブロッキング絶縁層へArをドープする際にフォトレジストをマスクとして使用したが、他の材料で形成した膜(Si膜やSiO膜等)をマスクとしてもよい。
1…メモリ装置、100…半導体基板、101…トンネル絶縁層、102…電荷蓄積層、103A…改質前のブロッキング絶縁層、103B…改質後のブロッキング絶縁層、104…ゲート電極。

Claims (2)

  1. 直列接続された複数のメモリトランジスタ及び前記直列接続された複数のメモリトランジスタの両端に設けられた選択トランジスタを備えたメモリ装置の製造方法であって、
    半導体基板上にトンネル絶縁層を形成する工程と、
    前記トンネル絶縁層上に電荷蓄積層を形成する工程と、
    前記電荷蓄積層上にブロッキング絶縁層を形成する工程と、
    前記選択トランジスタが形成される領域の前記ブロッキング絶縁層へアルゴンをソースガスとするガスクラスタイオンビームを選択的に照射する工程と、
    前記ブロッキング絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、
    積層された前記トンネル絶縁層から前記ゲート電極をパターニングする工程と、
    前記パターニングされた前記ゲート電極の両側の前記半導体基板中にソース/ドレイン領域を形成する工程と、
    を具備することを特徴とするメモリ装置の製造方法。
  2. 前記ブロッキング絶縁層は、酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項記載のメモリ装置の製造方法。
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